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宽带卫星通信市场回顾

Whitney Q. Lohmeyer、Phillip Post、Katie Fleming、Celvi Lisy、Argyris Kriezis和Abby Omer，Olin College of Engineering

自2012年以来，宽带卫星行业以前所未有的速度发展着。本文讨论了过去十年的主要历史里程碑、系统发展和挑战，主要侧重于非地球同步轨道（NGSO）的低地球轨道（LEO）卫星，同时也提到了地球同步轨道（GSO或GEO）卫星的发展。

Olin Satellite + Spectrum Technology & Policy（OSSTP）小组的研究人员在22年4月进行的一项研究发现，超过20个实体已经向美国联邦通信委员会（FCC）提交了美国市场准入申请，总共将有7万颗固定卫星服务（FSS）卫星在Ku、Ka和/或V波段运行。¹在这些系统中，有几个实体（Starlink、OneWeb、Kepler）已经开始部署卫星，如图1所示，截至22年12月1日，OneWeb和Starlink在轨的NGSO FSS卫星总数超过4000颗。

使这些系统得以实现的大部分监管和技术框架是在1990年代末或21世纪初为Skybridge和Teledesic等系统建立的。虽然这些1990年代的网络在商业上并不成功，但它们推动了卫星行业的发展。这些工作有助于在国际电信联盟（ITU）建立GSO干扰缓解技术，并在FCC内完善了处理轮回申报框架（processing round filing framework）。这些网络也推动了技术的进步，如低成本的用户终端天线，以及网关和远程端口架构，这些都是当今行业的关键性的垫脚石。

宽带卫星历史：十年回顾

对OneWeb、Starlink、Lightspeed和Kuiper等最新一代NGSO系统的评估始于12年11月，如图2所示，当时Greg Wyler向ITU申请了Ku波段频率。这些频率在1990年代的许多世界无线电会议（WRC）上被研究过，并被留给NGSO系统。在同一时期，GSO高通量卫星（HTS）网络，如Viasat-1和中地球轨道（MEO）O3b，也是由Wyler创立，开始提供服务。O3b通常被描述为到那时为止最成功的卫星网络，因为它提供高容量，而且从未申请破产。

如图3所示，Wyler将他的NGSO项目带到了谷歌，在短暂的时间内，他与谷歌接入部门的一个团队合作。在离开谷歌并带来NGSO FSS项目后，Wyler和Elon Musk在卫星领域进行了合作，但后来在15年分裂，诞生了今天的OneWeb和Starlink卫星网络。

在WRC-15会议上，针对GSO系统的NGSO保护标准（被称为等效功率通量密度（EPFD）限制）的研究正在V波段中发展，同时还有NGSO投入使用（BIU）要求、高空平台（HAPS）频率分配和5G系统的地面频率分配。WRC-15定义的规则将为未来的NGSO革命建立框架。同年，Wyler向Telesat首席执行官Dan Goldberg通报了他的LEO宽带星座计划。尽管最初反对LEO星座，但Goldberg通过加拿大申请进入COMMStellation，一个现有的ITU网络。当他获得频谱后，Goldberg组建了最终成为Telesat的Lightspeed NGSO星座。

随着卫星行业的主流企业、初创企业和科技企业集团开始申请NGSO星座，这掀起了一股热潮。16年，SES通过收购O3b在这场竞赛中找到了自己的立足点，而亚马逊宣布他们计划发射Kuiper LEO星座，如图4。

17年，铱星公司在其通过SpaceX发射的NEXT系列卫星上升级了他们的通信服务。尽管早期取得了一些成功，但LEO星座并非没有风险。Greg Wyler的OneWeb是新格局中最大的参与者之一，由于资金的不确定性，在20年3月宣布破产，但8个月后OneWeb找到了新的资金，摆脱了破产，如图5。

20年5月，FCC宣布了Ka波段的分配结果，有10名申请人申请进入LEO星座。SpaceX也宣布在20年10月进行公开测试，为大众引入快速、低延迟的LEO互联网。即使有其固有的风险，NGSO卫星行业也在快速扩张和发展。

21年，这一步伐继续，加拿大向Telesat的Lightspeed星座投入11.5亿美元。但22年给卫星行业带来了挑战。COVID-19已经造成了后勤方面的麻烦，俄乌战争使这些挑战更加复杂。Telesat公司的反应是将他们的LEO卫星减少三分之一，OneWeb公司则经历了发射延迟。

尽管有这些不利因素，该行业还是取得了一些值得注意的成就：Starlink和OneWeb达成了一项频谱协调协议，Starlink和AST宣布了利用其下一代卫星直接向手机提供低数据速率（不是宽带）服务的计划。ViaSat和Inmarsat这两个最大的GEO卫星服务和宽带供应商同意以73亿美元的交易进行合并（见图6）。

表1提供了主要LEO、MEO和GEO卫星的任务寿命、轨道高度、计划中的卫星数量（如提交的文件）、频率和目前在轨卫星数量的概况。

为了更容易概念化这些卫星网络的各种轨道，图7使用AGI的系统工具箱（STK）描述了OneWeb、Kuiper、SpaceX和Telesat的卫星轨道。图8将Mangata和Kuiper MEO系统的轨道叠加到图7上。图9将EchoStar、Intelsat和ViaSat等卫星的GEO（绿色）叠加到图8上。

技术和监管挑战

如果没有克服技术和监管方面的挑战，宽带卫星行业在过去十年中就不可能取得惊人成就。主要的技术挑战是提供低成本的用户终端（UT）、高效的固态功率放大器（SSPA）和运载火箭。主要的监管挑战集中在减少干扰（EPFD）、ITU申报的BIU截止日期以及FCC NGSO许可规则和共享框架的更新。⁴

技术挑战

由于NGSO系统的跟踪要求，用户终端技术由一对传统的抛物面天线或平板相控阵组成。⁵虽然抛物面天线的成本较低，但它需要第二个天线来支持卫星间的无缝交接。相控阵天线通过电子扫描单波束或多波束简化了这一过程，但它比抛物面天线贵得多。⁶Starlink目前以599美元的价格出售其终端，他们被怀疑是在亏本销售。⁷还值得注意的是，这些技术必须符合ITU和FCC的规定，如功率通量密度（PFD）限制、地面站增益掩码和等效各向同性辐射功率（EIRP）密度限制。⁸

另一项关键技术是位于卫星有效载荷上的SSPA。这些功率放大器已经从主要是硅基发展到了砷化镓和氮化镓。⁹在过去的几年里，我们看到Akash Systems等公司正在开发钻石基氮化镓等解决方案。¹⁰将这些设备的效率从现在的大约30%提高到50%以上，将使整个系统的性能得到极大的改善，并有助于更容易地完成商业应用。

业界预计，从24年开始，发射需求将出现高峰，这一年可能会出现发射供应短缺的情况。在目前可用的四种中型和重型运载火箭中（SpaceX的猎鹰9号、ULA的阿特拉斯5号、阿丽亚娜航天公司的联盟2号和阿丽亚娜5号），由于退役和美国的制裁，只有一种可用。Rocket Lab公司的Electron和Virgin Orbit公司的Launcher One已经成功地将有效载荷送入轨道，预计到24年，每年的发射次数将超过10次，但这些都被视为小型发射器。新运载工具的漫长开发时间可能会使该行业在24年只有一个中等运载火箭能够在一年内进行超过十次的发射。这一情况给卫星通信行业带来了重大风险，它表明发射供应短缺可能导致更高的发射价格和大量的延迟，可能会阻止NGSO系统实现其里程碑目标。

监管挑战

卫星系统由联合国通过基于条约的ITU进行国际管理。每隔三到五年，ITU就会举办一次世界无线电会议，这是一个三到五年的监管审查周期的高潮。在世界无线电会议之间的几年里，工作小组和研究小组合作进行分析，并就频谱分配、许可、干扰管理和未来研究等主题提出建议。参加世界无线电会议的国家代表团由国家监管机构组成，如美国的FCC和英国的通信管理局，以及行业参与者如Intelsat、EchoStar、OneWeb、ViaSat、SpaceX和Amazon以及政府实体如国家电信信息管理局（NTIA）、国家海洋大气管理局（NOAA）和国家航空和航天局（NASA）。

在过去的十年中，国际和当地的监管讨论一直围绕着少数几个主题。其中最重要的是通过PFD限制来保护现有地面网络的干扰缓解技术，以及通过基于时间的统计EPFD限制来保护GEO系统。¹¹BIU的要求定义了防止ITU备案过期所需的卫星数量。卫星行业的其他重要问题围绕着5G和6G技术的地面频谱分配，以及协调规则。

在美国，FCC的职能是监管通过电缆、广播、电视、卫星和电线的州际和国际通信。目标是促进连通性，并确保一个强大的竞争性市场。¹²为了促进频谱共享，FCC负责授予在特定频段上传输信号的权利。与地面系统不同的是，FCC对卫星频谱分配实施了轮回处理（processing round）的方法。¹³

FCC在16年、17年、20年和21年进行了几轮处理，这些轮次交替进行，涵盖Ku/Ka波段或V波段。在这几轮处理过程中，有20多个申请人提交了市场准入申请，寻求授权的卫星总数超过70,000颗。自19年底以来，随着FSS NGSO系统的引入，在轨NGSO卫星的数量增加了31.4倍。不幸的是，这种前所未有的活动水平导致了FCC审批的等待时间越来越长。16年Ku/Ka波段处理轮次，从运营商首次提交申请到FCC采取第一次行动，平均需要两年时间。在17年3月的V波段轮次中，这一延迟增加了近一年，达到2.9年。¹为了解决这个问题，众议院能源和商业委员会于12月8日在《卫星和电信简化法案》和《安全空间法案》中提出了两党立法，以改革FCC的许可规则。¹⁴

这种等待时间增加的趋势，加上频谱资源的稀缺性，在利益相关者之间形成了一种竞争环境，导致了FCC应该如何考虑其共享规则的问题。¹⁵幸运的是，卫星领域的一些主要参与者已经达成了协议，允许他们当前和第二代宽带网络共存。22年6月13日，OneWeb和Starlink要求FCC驳回他们之前对彼此提出的共存投诉，转而集中精力尽快批准这两个系统。^16,17同样，22年9月24日，亚马逊和Telesat达成了协议。¹⁸

结论

卫星行业在过去十年取得的成就确实值得庆祝。鉴于仅Starlink和OneWeb就有4000多颗卫星在运行，这些网络很可能在未来几十年继续创造技术历史。然而，随着这些网络的继续推广，用户终端、功率放大器和发射能力方面的进步也是势在必行的，以确保财务可行和负担得起的服务。同样关键的是，国家和国际监管机构要继续审查现有的法规，并及时更新过时的政策，以鼓励创新并使新的参与者进入该领域。

参考文献

1.    A. Kriezis and W.Q. Lohmeyer, “U.S. Market Access Authorization Timeline Analysis for Megaconstellation Networks,” Olin Satellite + Spectrum Technology & Policy (OSSTP) Group Industry Reports, Web: https://www.osstp.org/fcc-analysis.

2.    SpaceX, “SpaceX Launches,” Web: https://www.spacex.com/launches/.

3.    “OneWeb Launch Programme,” Web: https://oneweb.net/resources/launch-programme.

4.    R. Barry, P. Bustamante, D. Guo, M. Honig, W.Q. Lohmeyer, I. Murtazashvili, S. Palo, “Spectrum Rights in Outer Space: Interference Management for Mega-constellations,” Telecommunications Policy Research Conference (TPRC), Washington, D.C., September 16-17, 2022.

5.    U. Gupta., A. Tan, J. Liu, W.Q. Lohmeyer, “A Description and Comparison of Modern Flat Panel Antenna Technology for Ku-/Ka-Band User Terminals in Low Earth Orbit (LEO) Satellite Communications Systems,” Microwave Journal, Vol. 69, No. 9, September 2021.

6.    U. Gupta, A. Tan, W.Q. Lohmeyer, J. Liu, “Antenna Performance Specifications for Ka-/Ku-Band User Terminals in Low Earth Orbit (LEO) Satellite Communications Systems,” Microwave Journal, Vol. 69, No. 9, September 2021.

7.    M. Kan, “SpaceX has been selling Starlink Dishes at a Huge Loss,” PC Mag, April 6, 2021, Web: https://www.pcmag.com/news/spacex-has-been-selling-starlink-dishes-at-a-huge-loss-despite-499-price.

8.    A. Tan and W.Q., Lohmeyer, “Modern Low-Cost Phased Array Technologies and Accompanying Fixed Satellite Service (FSS) Regulatory Requirements,” IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, Waltham, Mass., October 11-14, 2022.

9.    W.Q. Lohmeyer, R.J. Aniceto and K.L. Cahoy, “Communication Satellite Power Amplifiers: Current and Future SSPA and TWTA Technologies,” International Journal of Satellite Communications and Networking, doi:10.1002/sat.1098.

10.   Akash Systems, “A Fundamental Advantage in Technology: The Power of Synthetic Diamond,” Web: https://akashsystems.com/technology/.

11.   J. Pahl, Interference Analysis, Wiley, 2016.

12.   “Federal Communications Commission,” USAGov, United States Government, Web: https://www.usa.gov/federal-agencies/federal-communications-commission#:~:text=The%20Federal%20Communications%20Commission%20regulates,a%20robust%20and%20competitive%20market.

13.   “Amendment of the Commission’s Space Station Licensing Rules and Policies,” 18 FCC Rcd. 10760, 2003.

14.   “House Committee Leaders Introduce Bipartisan Bills to Update Satellite Rules,” Space News, December 9, 2022, Web: https://spacenews.com/house-committee-leaders-introduce-bipartisan-bills-to-update-satellite-rules/.

15.   “Expediting Initial Processing of Satellite and Earth Station Applications; Space Innovation,” IB Docket Nos. 22–411, 22–271, November 30, 2022.

16.   “Request for Orbital Deployment and Operating Authority for the SpaceX Gen2 NGSO Satellite System,” IBFS File Nos. SAT-LOA-20200526-00055 and SAT-AMD-20210818-00105 December 1, 2022.

17.   “Starlink and OneWeb Reach Spectrum Coordination Plan,” Space News, June 14, 2022, Web: https://spacenews.com/starlink-and-oneweb-reach-spectrum-coordination-plan/.

18.   “Amazon and Telesat Coordinate their Planned NGSO Constellations,” Space News, September 21, 2022, Web: https://spacenews.com/amazon-and-telesat-coordinate-their-planned-ngso-constellations/.

表1 截至22年12月3日的若干LEO、MEO和Geo系统的统计摘要

图1 美国NGSO FSS发射的次数。

图2 Greg Wyler的卫星工作时间表。

图3 LEO卫星的演变。

图4 15年后NGSO卫星活动。

图5 卫星行业的发展速度。

图6 卫星行业的最新发展。

图7 LEO卫星的轨道。

图8 MEO卫星的轨道。

图9 GEO卫星的轨道。